2020--2022年全国高考物理三年真题汇编：光学

试卷更新日期：2022-07-11 类型：二轮复习

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一、单选题

1. 完全失重时，液滴呈球形，气泡在液体中将不会上浮。2021年12月，在中国空间站“天宫课堂”的水球光学实验中，航天员向水球中注入空气形成了一个内含气泡的水球。如图所示，若气泡与水球同心，在过球心O的平面内，用单色平行光照射这一水球。下列说法正确的是（）

A、此单色光从空气进入水球，频率一定变大 B、此单色光从空气进入水球，频率一定变小 C、若光线1在M处发生全反射，光线2在N处一定发生全反射 D、若光线2在N处发生全反射，光线1在M处一定发生全反射

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2. 如图所示，王亚平在天宫课堂上演示了水球光学实验，在失重环境下，往大水球中央注入空气，形成了一个空气泡，气泡看起来很明亮，其主要原因是（）

A、气泡表面有折射没有全反射 B、光射入气泡衍射形成“亮斑” C、气泡表面有折射和全反射 D、光射入气泡干涉形成“亮斑”

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3. 关于双缝干涉实验，下列说法正确的是（）

A、用复色光投射就看不到条纹 B、明暗相间条纹是两列光在屏上叠加的结果 C、把光屏前移或后移，不能看到明暗相间条纹 D、蓝光干涉条纹的间距比红光的大

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4. 柱状光学器件横截面如图所示， $O P$ 右侧是以O为圆心、半经为R的 $\frac{1}{4}$ 圆，左则是直角梯形， $A P$ 长为R， $A C$ 与 $C O$ 夹角 $45 °$ ， $A C$ 中点为B。a、b两种频率的细激光束，垂直 $A B$ 面入射，器件介质对a，b光的折射率分别为1.42、1.40。保持光的入射方向不变，入射点从A向B移动过程中，能在 $P M$ 面全反射后，从 $O M$ 面出射的光是（不考虑三次反射以后的光）（）

A、仅有a光 B、仅有b光 C、a、b光都可以 D、a、b光都不可以

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5. 光刻机是制造芯片的核心装备，利用光源发出的紫外线，将精细图投影在硅片上，再经技术处理制成芯片。为提高光刻机清晰投影最小图像的能力，在透镜组和硅片之间充有液体。紫外线进入液体后与其在真空中相比（）

A、波长变短 B、光子能量增加 C、频率降低 D、传播速度增大

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6. 一束复色光从空气射入光导纤维后分成a、b两束单色光，光路如图所示，比较内芯中的a、b两束光，a光的（）

A、频率小，发生全反射的临界角小 B、频率大，发生全反射的临界角小 C、频率小，发生全反射的临界角大 D、频率大，发生全反射的临界角大

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7. 如图所示，由波长为λ₁和λ₂的单色光组成的一束复色光，经半反半透镜后分成透射光和反射光。透射光经扩束器后垂直照射到双缝上并在屏上形成干涉条纹。O是两单色光中央亮条纹的中心位置，P₁和P₂分别是波长为λ₁和λ₂的光形成的距离O点最近的亮条纹中心位置。反射光入射到三棱镜一侧面上，从另一侧面M和N位置出射，则（）

A、λ₁<λ₂ ， M是波长为λ₁的光出射位置 B、λ₁<λ₂ ， N是波长为λ₁的光出射位置 C、λ₁>λ₂ ， M是波长为λ₁的光出射位置 D、λ₁>λ₂ ， N是波长为λ₁的光出射位置

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8. 如图，长方体玻璃砖的横截面为矩形 $M N P Q$ ， $M N = 2 N P$ ，其折射率为 $\sqrt{2}$ 。一束单色光在纸面内以 $α = 45 °$ 的入射角从空气射向 $M Q$ 边的中点O，则该束单色光（）

A、在 $M Q$ 边的折射角为 $60 °$ B、在 $M N$ 边的入射角为 $45 °$ C、不能从 $M N$ 边射出 D、不能从 $N P$ 边射出

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9. 用平行单色光垂直照射一层透明薄膜，观察到如图所示明暗相间的干涉条纹。下列关于该区域薄膜厚度d随坐标x的变化图像，可能正确的是（）

A、 B、 C、 D、

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10. 用激光笔照射透明塑料制成的光盘边缘时观察到的现象如图所示。入射点O和两出射点P、Q恰好位于光盘边缘等间隔的三点处，空气中的四条细光束分别为入射光束a、反射光束b、出射光束c和d、已知光束a和b间的夹角为 $90 °$ ，则（　　）

A、光盘材的折射率 $n = 2$ B、光在光盘内的速度为真空中光速的三分之二 C、光束b、c和d的强度之和等于光束a的强度 D、光束c的强度小于O点处折射光束 $O P$ 的强度

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11. 如图所示，圆心为O、半径为R的半圆形玻璃砖置于水平桌面上，光线从P点垂直界面入射后，恰好在玻璃砖圆形表面发生全反射；当入射角 $θ = 60 °$ 时，光线从玻璃砖圆形表面出射后恰好与入射光平行。已知真空中的光速为c，则（）

A、玻璃砖的折射率为1.5 B、 $O P$ 之间的距离为 $\frac{\sqrt{2}}{2} R$ C、光在玻璃砖内的传播速度为 $\frac{\sqrt{3}}{3} c$ D、光从玻璃到空气的临界角为30°

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12. 双缝干涉实验装置的截面图如图所示。光源S到S₁、S₂的距离相等，O点为S₁、S₂连线中垂线与光屏的交点。光源S发出的波长为 $λ$ 的光，经S₁出射后垂直穿过玻璃片传播到O点，经S₂出射后直接传播到O点，由S₁到O点与由S₂到O点，光传播的时间差为 $Δ t$ 。玻璃片厚度为10 $λ$ ，玻璃对该波长光的折射率为1.5，空气中光速为c，不计光在玻璃片内的反射。以下判断正确的是（）

A、 $Δ t = \frac{5 λ}{c}$ B、 $Δ t = \frac{15 λ}{2 c}$ C、 $Δ t = \frac{10 λ}{c}$ D、 $Δ t = \frac{15 λ}{c}$

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13. 以下现象不属于干涉的是（）

A、白光经过杨氏双缝得到彩色图样 B、白光照射肥皂膜呈现彩色图样 C、白光经过三棱镜得到彩色图样 D、白光照射水面油膜呈现彩色图样

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二、多选题

14. 某同学采用图甲所示的实验装置研究光的干涉与衍射现象，狭缝 $S_{1}$ ， $S_{2}$ 的宽度可调，狭缝到屏的距离为L。同一单色光垂直照射狭缝，实验中分别在屏上得到了图乙，图丙所示图样。下列描述正确的是（）

A、图乙是光的双缝干涉图样，当光通过狭缝时，也发生了衍射 B、遮住一条狭缝，另一狭缝宽度增大，其他条件不变，图丙中亮条纹宽度增大 C、照射两条狭缝时，增加L，其他条件不变，图乙中相邻暗条纹的中心间距增大 D、照射两条狭缝时，若光从狭缝 $S_{1}$ 、 $S_{2}$ 到屏上P点的路程差为半波长的奇数倍，P点处一定是暗条纹

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15. 肥皂膜的干涉条纹如图所示，条纹间距上面宽、下面窄。下列说法正确的是（　　）

A、过肥皂膜最高和最低点的截面一定不是梯形 B、肥皂膜上的条纹是前后表面反射光形成的干涉条纹 C、肥皂膜从形成到破裂，条纹的宽度和间距不会发生变化 D、将肥皂膜外金属环左侧的把柄向上转动 $90 °$ ，条纹也会跟着转动 $90 °$

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16. 截面为等腰直角三角形的三棱镜如图甲所示。DE为嵌在三棱镜内部紧贴BB'C'C面的线状单色可见光光源，DE与三棱镜的ABC面垂直，D位于线段BC的中点。图乙为图甲中ABC面的正视图。三棱镜对该单色光的折射率为 $\sqrt{2}$ ，只考虑由DE直接射向侧面AA'CC的光线。下列说法正确的是（）

A、光从AA'C'C面出射的区域占该侧面总面积的 $\frac{1}{2}$ B、光从AA'C'C面出射的区域占该侧面总面积的 $\frac{2}{3}$ C、若DE发出的单色光频率变小，AA'C'C面有光出射的区域面积将增大 D、若DE发出的单色光频率变小，AA'C'C面有光出射的区域面积将减小

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三、综合题

17. 如图所示，水族馆训练员在训练海豚时，将一发光小球高举在水面上方的A位置，海豚的眼睛在B位置，A位置和B位置的水平距离为d，A位置离水面的高度为 $\frac{2}{3}$ d。训练员将小球向左水平抛出，入水点在B位置的正上方，入水前瞬间速度方向与水面夹角为θ。小球在A位置发出的一束光线经水面折射后到达B位置，折射光线与水平方向的夹角也为θ。
已知水的折射率n= $\frac{4}{3}$ ，求：

(1)、tanθ的值；

(2)、B位置到水面的距离H。

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18.

(1)、下端附着重物的粗细均匀木棒，竖直浮在河面，在重力和浮力作用下，沿竖直方向做频率为 $1Hz$ 的简谐运动：与此同时，木棒在水平方向上随河水做匀速直线运动，如图（a）所示。以木棒所受浮力F为纵轴，木棒水平位移x为横轴建立直角坐标系，浮力F随水平位移x的变化如图（b）所示。已知河水密度为ρ，木棒横截面积为S，重力加速度大小为g。下列说法正确的是________

A、x从 $0 .05m$ 到 $0 .15m$ 的过程中，木棒的动能先增大后减小 B、x从 $0 .21m$ 到 $0 .25m$ 的过程中，木棒加速度方向竖直向下，大小逐渐变小 C、 $x = 0 .35m$ 和 $x = 0 .45m$ 时，木棒的速度大小相等，方向相反 D、木棒在竖直方向做简谱运动的振幅为 $\frac{F_{1} - F_{2}}{2 ρ S g}$ E、木棒的运动为向x轴正方向传播的机械横波，波速为 $0 .4m/s$

(2)、如图，某种防窥屏由透明介质和对光完全吸收的屏障构成，其中屏障垂直于屏幕平行排列，可实现对像素单元可视角度 $θ$ 的控制（可视角度 $θ$ 定义为某像素单元发出的光在图示平面内折射到空气后最大折射角的2倍）。透明介质的折射率 $n = 2$ ，屏障间隙 $L = 0.8 mm$ 。发光像素单元紧贴屏下，位于相邻两屏障的正中间。不考虑光的衍射。

（i）若把发光像素单元视为点光源，要求可视角度 $θ$ 控制为60°，求屏障的高度d；

（ⅱ）若屏障高度 $d = 1. 0mm$ ，且发光像素单元的宽度不能忽略，求像素单元宽度x最小为多少时，其可视角度 $θ$ 刚好被扩为180°（只要看到像素单元的任意一点，即视为能看到该像素单元）。

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19.

(1)、介质中平衡位置在同一水平面上的两个点波源 $S_{1}$ 和 $S_{2}$ ，二者做简谐运动的振幅相等，周期均为 $0 .8s$ 。当 $S_{1}$ 过平衡位置向上运动时， $S_{2}$ 也过平衡位置向上运动．若波速为 $5m/s$ ，则由 $S_{1}$ 和 $S_{2}$ 发出的简谐横波的波长均为m。P为波源平齿位置所在水平面上的一点，与 $S_{1}$ 、 $S_{2}$ 平衡位置的距离均为 $10m$ ，则两波在P点引起的振动总是相互（填“加强”或“削弱”）的；当 $S_{1}$ 恰好在平衡位置向上运动时，平衡位置在P处的质点（填“向上”或“向下”）运动。

(2)、一细束单色光在三棱镜 $A B C$ 的侧面 $A C$ 上以大角度由D点入射（入射面在棱镜的横截面内），入射角为i，经折射后射至 $A B$ 边的E点，如图所示，逐渐减小i，E点向B点移动，当 $\sin i = \frac{1}{6}$ 时，恰好没有光线从 $A B$ 边射出棱镜，且 $D E = D A$ 。求棱镜的折射率。

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20.

(1)、如图，单色光从折射率n=1.5、厚度d=10.0cm的玻璃板上表面射入。已知真空中的光速为 $3 \times 10^{8}$ m/s，则该单色光在玻璃板内传播的速度为m/s；对于所有可能的入射角，该单色光通过玻璃板所用时间t的取值范围是s≤t<s（不考虑反射）。

(2)、均匀介质中质点A、B的平衡位置位于x轴上，坐标分别为0和x_B=16cm。某简谐横波沿x轴正方向传播，波速为v=20cm/s，波长大于20cm，振幅为y=1cm，且传播时无衰减。t=0时刻A、B偏离平衡位置的位移大小相等、方向相同，运动方向相反，此后每隔△t=0.6s两者偏离平衡位置的位移大小相等、方向相同。已知在t₁时刻（t₁>0），质点A位于波峰。求
（i）从t₁时刻开始，质点B最少要经过多长时间位于波峰；

（ii）t₁时刻质点B偏离平衡位置的位移。

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21. 超强超短光脉冲产生方法曾获诺贝尔物理学奖，其中用到的一种脉冲激光展宽器截面如图所示。在空气中对称放置四个相同的直角三棱镜，顶角为 $θ$ 。一细束脉冲激光垂直第一个棱镜左侧面入射，经过前两个棱镜后分为平行的光束，再经过后两个棱镜重新合成为一束，此时不同频率的光前后分开，完成脉冲展宽。已知相邻两棱镜斜面间的距离 $d = 100.0 mm$ ，脉冲激光中包含两种频率的光，它们在棱镜中的折射率分别为 $n_{1} = \sqrt{2}$ 和 $n_{2} = \frac{\sqrt{31}}{4}$ 。取 $\sin 37 ° = \frac{3}{5}$ ， $\cos 37 ° = \frac{4}{5}$ ， $\frac{5}{\sqrt{7}} = 1.890$ 。

(1)、为使两种频率的光都能从左侧第一个棱镜斜面射出，求 $θ$ 的取值范围；

(2)、若 $θ = 37 °$ ，求两种频率的光通过整个展宽器的过程中，在空气中的路程差 $Δ L$ （保留3位有效数字）。

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22.

(1)、用一个摆长为80.0 cm的单摆做实验，要求摆动的最大角度小于5°，则开始时将摆球拉离平衡位置的距离应不超过cm（保留1位小数）。（提示：单摆被拉开小角度的情况下，所求的距离约等于摆球沿圆弧移动的路程。）
某同学想设计一个新单摆，要求新单摆摆动10个周期的时间与原单摆摆动11个周期的时间相等。新单摆的摆长应该取为cm。

(2)、直角棱镜的折射率n=1.5，其横截面如图所示，图中∠C=90°，∠A=30°。截面内一细束与BC边平行的光线，从棱镜AB边上的D点射入，经折射后射到BC边上。

⑴光线在BC边上是否会发生全反射?说明理由；

⑵不考虑多次反射，求从AC边射出的光线与最初的入射光线夹角的正弦值。

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